飞思卡尔ZigBee射频芯片MC13192的原理与应用

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        ZigBee技术是一种低速率无线传输技术,它基于IEEE802.15.4标准,工作频率为868MHz、915MHz或2.4GHz,其中2.4GHz是一个开放的频率。该技术的突出特点是应用简单、电池寿命长、组网能力强、可靠性高以及成本低。与已经在市场上推广了很多年的蓝牙技术相比,ZigBee技术的传输速率要低一些(ZigBee的峰值速率为250kbps,蓝牙的峰值速率为750kbps),但ZigBee的待机功耗比蓝牙要低1到2个数量级(ZigBee为3~40μA,蓝牙为200μA)。由于以上的优点,ZigBee技术在低成本、低速率、低功耗的无线传输方面有很大的发展前景,例如在工业或企业市场,需要感应式网路,提供感应辨识、灯光与安全控制等功能 ;而在未来的网络家庭中,像空调系统的温度控制器,灯光、窗帘的自动控制,老人与行动不便者的紧急呼叫器,电视与音响的万用遥控器,烟雾侦测器等这些应用,都非常需要和适合采用这种低成本、低速率、低功耗的无线传输技术。 

         MC13192是飞思卡尔公司提供的符合IEEE 802.15.4标准的带数据调制解调器的射频收发芯片。该芯片性能稳定,功耗很低,采用经济高效的CMOS设计,几乎不需要外部组件。更重要的是,该芯片和飞思卡尔其他的ZigBee产品组合在一起可以搭建成飞思卡尔ZigBee-Ready平台,利用该平台进行ZigBee相关方面的开发工作可以有效地缩短工程师的开发时间,降低开发成本。

主要特点 

         MC13192符合IEEE 802.15.4标准,它选择的工作频率是2.405~2.480GHz,数据传输速率为250kbps,采用O-QPSK调试方式。这种功能丰富的双向2.4GHz收发器带有一个数据调制解调器,可以在ZigBee技术应用中使用,它还具有一个优化的数字核心,有助于降低MCU处理功率,缩短执行周期。内部集成4个定时比较器,使其可以和性能较低、价格低廉的MCU配合使用以降低成本,广泛的中断维修服务使得MCU编程更为容易;芯片和MCU之间使用串行外围接口,使得在MCU选择上具有更大的余地。芯片集成的连接质量和电源检测功能可以为组网和维护提供必要的数据。除此之外,芯片还具有以下的特性 :全频谱编码和译码;经济高效的CMOS设计,几乎不需要外部组件;可编程的时钟,供基带MCU使用;标准的4线SPI(以4MHz或更高频率运行) ;扩展的范围性能(使用外部低噪音放大器功率放大器) ;可编程的输出功率,通常为0dB ;超低功率模式 ;7条GPIO线路;芯片采用2.7V供电,接收状态耗电37mA,发射状态耗电30mA,功耗很低;QFN-32封装,尺寸为5mm×5mm,是同类芯片中尺寸最小的。

内部结构 

         芯片内部结构如图1所示。芯片主要由模拟接收发射部分、数字调制解调部分、片内频率合成器、电源管理部分以及与MCU接口部分组成。 

         从天线接收进来的射频信号经过两次下变频之后变成两路正交信号(I和Q),片内集成的CCA(空闲信道评估)模块根据接收到的基带信号的能量进行空闲信道评估检测。CCA和前端的LNA(低噪声放大器)都要受到AGC(自动增益控制)的控制。数字接收端通过差分码片检测(DCD)后经过相关器对直接序列扩频(DSSS)进行解扩,经过符号同步检测和包处理以后最终得到接收到的数据。通过SPI接口传送到MCU。 

         要发送的128字节信号由MCU通过SPI接口传送到MC13192的发送缓冲器中,头帧和帧检测序列由MC13192产生,根据IEEE802.15.4标准,所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频,扩频以后的信号送到相位开关调制器上以O-QPSK的方式通过直接上变频调制到载波后通过天线发射出去。 

         芯片还集成频率合成器、电源管理模块、定时器、中断判决器以及用于接收、发射的存储器电路。

应用电路 

         图2是MC13192应用于ZigBee网络终端设备典型应用电路。要发送的信号从MCU通过SPI口传送到MC13192中,经过扩频O-QPSK调制到载波后通过发通路从天线发射出去。从天线来的射频信号经过收通路传送到MC13192中,经过解调、解扩得到原始的数据,再通过SPI接口传送到MCU,MCU同时提供对收发通路切换的控制。 

         电路中的MC13192射频信号采用差分输入输出的方法,天线采用的是与输入输出相匹配的平衡印制线天线,当然,从实际设计需要出发也可以使用芯片天线来替代印制线天线。从天线接收的射频信号通过由L3和C12组成的窄带匹配网络和单刀双掷开关μPG2120TK-E2后传送到变压器Z1上,由Z1将其分解为两路差分信号传送到MC13192芯片的两个射频信号输入管脚RIN_M和RIN_P上;要发射的两路射频信号从芯片的两个射频信号输出端PAO_P和PAO_M输出,经过变压器Z2后合成一路信号,通过单刀双掷开关μPG2120TK-E2和由L3和C12组成的窄带匹配网络后传送到天线上发射出去。 

         需要注意的是芯片的PAO+和PAO-管脚需要和芯片的VDDA相连,在电路中是通过变压器Z2将它们相连的。 

         考虑到晶体振荡器对通信质量的影响,在印制板排版时应将晶体振荡器的位置尽可能地靠近MC13192芯片的XTAL1和XTAL2管脚。电容C5、C6的值应该与晶体振荡器负载电容相一致,MC13192芯片指定的晶振频率为16MHz,稳定度需要在±40ppm之间。 

         芯片的VDDA、VDDLO1、VDDLO2、VDDD、VDDVCO管脚是芯片内部电源管理部分的输出,用来向芯片的其他部分供电。在实际应用中对这几个输出的旁路电容的要求比较严格,在设计印制板的时候同样应该将它们的旁路电容的位置尽量靠近相应的输出管脚。 

         芯片通过标准的四线SPI接口与MCU相连,SPI接口可以在8MHz或者更小的频率下工作就可以满足芯片的使用要求。芯片可以通过CLK0管脚向MCU输出时钟信号,该时钟是通过SPI接口编程控制的,它的默认值为32.786kHz(16MHz/488)。将芯片的管脚与MCU的一个GPIO相连使得MCU可以很容易地控制芯片的工作模式。当然也可以通过开关等外加电路来对工作模式的控制进行扩展以满足实际需要。 

         在实例中,MCU通过一个GPIO口和芯片的RXTXEN管脚相连,用来初始化芯片的收发操作。芯片也可以将该管脚设置为高电平,通过SPI编程来初始化芯片的收发操作。MCU通过一个GPIO口和芯片的管脚相连,用以在必要的时候对芯片进行复位操作。

MCU的选取 

         MC13192芯片只是ZigBee技术平台解决方案的一个组件,在具体的实现中必须根据实际需要选择合适的处理设备,所选择的处理设备必须集成支持IEEE802.15.4 MAC和ZigBee软件,才能构成完整的解决方案。考虑到与MC13192良好的兼容性和较好的技术支持,可以优先考虑使用飞思卡尔提供的适合ZigBee技术的处理设备。飞思卡尔推出的HCS08系列是最新的8位MCU,其工作电压为1.8V。HCS08系列的性能与许多16位MCU相当,但功耗很低。将其和MC13192配合使用可以大幅度地延长电池寿命,提高工作性能。该系列共有四款芯片,它们分别是MC9S08GB32/GB60/GT16/GT60。 

         对于处理设备集成的软件,设计者可以根据自己的需要参考MC13192使用手册编写,也可以采用飞思卡尔已经编写好的MAC层软件。飞思卡尔开发的IEEE802.15.4MAC软件作为ZigBee平台解决方案的一部分,符合协议标准,其体积很小,这样将其集成到MCU上只占很小的存储空间。该软件具有以下特点:可支持对等的、星状和网状网络拓扑;可支持可选的上层Z-Stack ZigBee;省电模式(休眠、应用可配置);安全性好;载波侦听多点接入/冲突,避免(CSMA-CA)通道访问;可选的带信标的超帧结构;有保证的时间槽(GTS)机制。

MC13192用于ZigBee-Ready平台 

         飞思卡尔为终端产品制造商推出一站式ZigBee-Ready平台。这种可升级的解决方案致力于为制造商提供完善的产品和支持服务,与通过多个供应商获得产品和支持相比,这种一站式服务能够帮助客户减少开发时间和研发成本。该ZigBee-Ready平台包括工作在2.4GHz频段的射频数据调制解调器MC13192、IEEE 802.15.4兼容性MAC软件,以及一颗低电压、低功耗的MCU- HCS08系列芯片。

         ZigBee-Ready平台解决方案传感器应用的框图如图3所示。在图示的例子中,MCU选择的是MC9S08GT16,其性能很好,而功耗却很低,传感器根据需要选择,可以是温度传感器、压力传感器、加速度传感器等。由传感器输出的模拟信号经过MCU的8通道10位ADC变换后输入到MCU,MCU通过SPI口和MC13192连接将从传感器采集的信号经过处理后通过MC13192发射出去。对传感器的控制信号可以从MC13192的天线接收进来,通过SPI传送到MCU上,经过MCU的判断处理后通过GPIO口传送到传感器上,以完成对传感器的控制。同时MCU完成对MC13192收发控制和所需要的MAC层操作。

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